基於紅外溫度傳感器的自主尋的消防水炮系統及控制方法與流程

2023-09-15 13:36:55

本發明是一種基於紅外溫度傳感器的自主尋的消防水炮系統及控制方法，屬於基於紅外溫度傳感器的自主尋的消防水炮系統及控制方法的創新技術。

背景技術：

目前的消防設備大多都是人為操作，當火情發生時，消防人員需要近距離觀察火情，並且近距離地人為控制消防水炮進行降溫滅火操作，在某些特別危險的火災場景，如大型油罐等設施發生火警時，受當前消防設備的限制，消防人員需要在距離火源幾十米的範圍內操控消防水炮進行滅火，由於受火災現場濃煙等因素的影響，消防人員難以掌握火災現場的溫度分布情況，無法優先對高溫區域進行滅火降溫，這樣對快速有效地降溫滅火極為不利；況且，由於大型油罐等設施起火時，隨時有爆炸的危險，一旦發生爆炸，油罐周圍幾十米甚至更大的範圍都是重創區，重創區內人們的生命財產安全將受到極大威脅；所以，大型油罐等設施起火時，消防人員依靠傳統消防裝備進入火場開展滅火工作時十分危險的；其自身的生命安全受到極大威脅。

目前，實際應用的消防水炮設備大部分都需要消防人員進行人工操控，雖然具有自擺功能的水炮可在消防人員撤離後仍在一定時間內執行噴水滅火任務，但是這種消防水炮缺乏智能，不能快速有效地找到火場的最高溫區域，對快速有效地降溫滅火不利，無法將人們的生命或財產損失減少到最小。

市場上現有的較為智能的消防水炮設備，一般都基於圖像處理技術。儘管這種消防設備彌補了傳統消防水炮的一些不足，但其中的硬體部件價格昂貴，難以普遍裝備，對於一些財政不寬裕的地方消防單位來說，所需的列裝費用更是無法承擔。

鑑於上述客觀事實，迫切需要一種高性價比的能自動識別火場最高溫度點，並且能自動優先對最高溫度點快速高效地進行降溫滅火的新型消防水炮系統。

技術實現要素：

本發明的目的在於考慮上述問題而提供一種基於紅外溫度傳感器的自主尋的消防水炮系統。本發明可在無人操控的情況下自動識別起火油罐的最高溫度點，並驅動移動水炮對該點進行自動噴水降溫。且本發明結構簡單，成本低廉、操作方便。

本發明的另一目的在於提供一種基於紅外溫度傳感器的自主尋的消防水炮系統的控制方法，採用本發明的方法，大型油罐等設施火警升級時，消防人員可撤離到安全距離之外，水炮則仍可自動尋找火場最高溫點並進行降溫滅火任務，從而有效保護消防人員的生命安全，減小事故造成的損失。

本發明的技術方案是：本發明的基於紅外溫度傳感器的自主尋的消防水炮系統，包括有輸入系統、控制系統以及輸出系統，輸入系統的輸出端與控制系統的輸入端連接，控制系統的輸出端與輸出系統的輸入端連接，輸出系統則驅動消防水炮進行滅火降溫工作。

本發明基於紅外溫度傳感器的自主尋得消防水炮系統的控制方法，包含如下步驟：

(1)紅外溫度傳感器獲取溫度數據，並以電壓格式輸出；

(2)a/d轉換模塊將溫度電壓標量轉為溫度的數字量；

(3)單片機處理溫度的數字量；

(4)單片機根據溫度數字量度的處理結果，輸出相應脈衝。

本發明基於紅外溫度傳感器的自主尋的消防水炮系統由於採用包括有輸入系統、控制系統以及輸出系統的結構，輸入系統在一定範圍內循環轉動，通過紅外溫度傳感器獲取溫度數據，並以電壓的形式輸出到控制系統的輸入端，控制系統接收到輸入系統的輸出信號後，由a/d轉換模塊將代表溫度的電壓值轉換為數字量並輸入到單片機，單片機進行數據處理並將數據處理結果以相應脈衝形式輸出到輸出系統。輸出系統接收到相應脈衝後作出相應的動作。本發明的的控制方法是單片機先將輸入系統的輸出電壓通過a/d轉換，轉換成數字量，數字量不斷變大則表明消防水炮不斷對準高溫點；數字量不斷變小，則表明消防水炮偏離最高溫點，在數字量轉折突變時，表示已找到探測範圍內的最高溫度位置，控制系統(單片機)發送相關驅動脈衝到輸出系統以驅動輸出系統的動作。本發明可在無人操控的情況下自動識別起火油罐的最高溫度點，並驅動移動水炮對該點進行自動噴水降溫。採用本發明的系統，大型油罐等設施火警升級時，消防人員可撤離到安全距離之外，水炮則仍可執行滅火任務，從而有效保護消防人員的生命安全，減小事故造成的損失。且本發明結構簡單，成本低廉、操作方便，具有很高的性價比。

附圖說明

圖1為本發明的系統構成圖。

圖2為本發明的系統原理圖。

圖3為本發明的步進電機控制流程圖。

圖4為本發明單片機電機驅動信號控制流程圖。

圖5為本發明的數學模型示意圖。

實施例：

本發明的結構示意圖如圖1所示，本發明是基於紅外溫度傳感器的自主尋的消防水炮系統，包括有輸入系統、控制系統以及輸出系統，輸入系統的輸出端與控制系統的輸入端連接，控制系統的輸出端與輸出系統的輸入端連接。

本實施例中，上述輸入系統包括紅外溫度傳感器，紅外溫度傳感器的信號輸出端與控制系統的輸入端連接，上述控制系統包括單片機、a/d轉換模塊，a/d轉換模塊的輸入端與輸入系統的輸出端連接，a/d轉換模塊的輸出端與單片機的輸入端連接。輸入系統獲取數據，並以電壓的形式輸入到控制系統，控制系統接收到數據後首先通過8位a/d晶片將電壓信號轉化為代表溫度高低的數字量，即a/d轉換值，該值越大，代表溫度越高，該值越小，代表溫度越低，控制系統通過不斷刷新a/d轉換值來判斷是否尋找到探測區域的高溫點。上述輸出系統是步進電機驅動裝置，步進電機驅動水炮工作。

本發明基於紅外溫度傳感器的自主尋得消防水炮系統的控制方法，包含如下步驟：

(1)紅外溫度傳感器獲取溫度數據，並以電壓格式輸出；

(2)a/d轉換模塊將溫度電壓標量轉為溫度的數字量；

(3)單片機處理溫度的數字量；

(4)單片機根據溫度數字量度的處理結果，輸出相應脈衝。

本實施例中，上述步驟(1)中，通過紅外溫度傳感器獲取溫度數據，並以電壓的形式輸出至a/d轉換模塊。

本實施例中，上述步驟(2)中，通過8位a/d轉換模塊將代表溫度的電壓值轉換位數字量，8位a/d轉換模塊能將溫度分為256個等級。

本實施例中，上述步驟(4)中，所輸出的脈衝位四相八拍步進驅動脈衝；正轉脈衝順序為：a-ab-b-bc-c-cd-d-da；反轉脈衝順序為：d-dc-c-cb-b-ba-a-ad；通過水炮的不斷旋轉掃描，紅外溫度傳感器獲取溫度數據，並以電壓形式輸入到控制系統的a/d轉換模塊中，a/d轉換模塊將電壓值轉換為數字量，並不斷重複這一操作，通過數字量的前後對比，如果發現數字量不斷增大，則表明水炮在水平方向上不斷對準高溫點，則輸出相應脈衝，控制水炮繼續旋轉；如果數字量不斷減小，則表明消防水炮在水平方向上偏離高溫點，則輸出相應脈衝，控制水炮反轉。當a/d轉換值(溫度數字量)再次達到a/d轉換突變值(最大溫度數字量)時，水炮暫停轉動，開始進行噴水降溫滅火工作。

本實施例中，上述控制水炮旋轉的過程如下：

單片機首先將當前數字量、前一數字量、轉折數字量都設為0，然後不斷讀入當前數字量，將當前數字量與前一數字量作比較，如果當前數字量大於或者等於前一數字量，則輸出相應脈衝使得步進電機正轉；如果當前數字量小於前一數字量，則表明數字量發生轉折，將轉折數字量設為前一數字量，並且輸出相應脈衝使得步進電機反轉，再不斷讀入當前數字量，如果當前數字量等於轉折數字量，步進電機停止轉動。消防水炮開始噴水降溫滅火。

本實施例中，自主尋得消防水炮系統的控制採用的數學模型如下：

n(x,y,z)＝α(z)t(x,y),(1)其中,n(x,y,z)為代表實際溫度值的數字量,其為一個與x,y,z空間直角坐標系相關的函數；α(z)為實際溫度值與實際溫度數字量之間的關係係數，其與消防水炮到檢測範圍的直線距離z有關；t(x,y)為檢測平面內對應點(x,y)的實際溫度；

上述數學模型(1)中，把y看做是一個無關量，其具體原因為:因為消防水炮自身有一定的仰角，並且噴水降溫滅火時水壓較大，其在垂直方向上能形成一道弧形或者近似直線的水柱，當水柱淋到應用場景(大型油罐)的高處時，水流會沿著罐壁由上而下留下，因此，當確定檢測範圍內最高溫度點的橫向坐標時(即x坐標)，即使水柱落點的y軸坐標與最高溫度點的y軸坐標不一致，也不影響對最高溫點的滅火降溫效果。若要確定y的值，只需對y坐標進行如x坐標的掃描處理即可；

數學模型(1)中，溫度數字量n與x，y，z有關，當y看做一個無關量時，數學模型簡化為：

n(x,z)＝α(z)t(x).(2)當距離z一定時，α(z)一定，即n(x,z0)＝α(z0)t(x)，這樣溫度數字量與實際溫度值之間有著明確的對應關係，實際溫度值越大，溫度數字量越大，因此，通過溫度數字量的大小來判斷實際溫度的高低是可行有效的；

本發明尋找檢測範圍內的溫度最高點所採用的算法為「數值比較法」，具體實現方法如下：

將溫度數字量的當前值nm(x,z)與前一溫度數字量nm-1(x,z)作比較，從而確定檢測範圍內溫度最高點的位置，具體實現方法如下：

首先將數學模型的最大值，即最大溫度數字量nmax(x,z)設置為0；將當前溫度數字量nm(x,z)設置為0；將前一溫度數字量nm-1(x,z)設置為0；

單片機先將輸入系統的輸出電壓通過a/d轉換，轉換成當前溫度數字量nm(x,z)，並且與前一溫度數字量nm-1(x,z)作比較：若當前數字量不小於前一數字量，表明消防水炮不斷靠近最高溫點，則將前一數字量nm-1(x,z)的值設置為當前數字量nm(x,z)的值，並且輸出脈衝驅動步進電機正轉；若當前數字量nm(x,z)小於前一數字量nm-1(x,z)，表明消防水炮偏離最高溫點，則控制系統輸出驅動脈衝使得步進電機反轉；在數字量轉折突變時，表示已找到探測範圍內的最高溫度位置，則將最大溫度數字量nmax(x,z)設置為突變時的溫度數字量；當最大溫度數字量nmax(x,z)與當前數字量nm(x,z)相等時，控制系統輸出驅動脈衝使得電機停轉；

本實施例中，自主尋的消防水炮系統的控制圍繞獲取、處理三個溫度數字量進行；這三個溫度數字量分別為：當前溫度數字量、前一溫度數字量以及最大溫度數字量；根據數學模型，這三個溫度數字量表示為：

當前溫度數字量：nm(x,z)；

前一溫度數字量：nm-1(x,z)；

最大溫度數字量：nmax(x,z)；

利用數學模型，自主尋的消防水炮系統的控制方法，包括有如下步驟：

(1)根據數學模型：n(x,z)＝α(z)t(x)

將當前溫度數字量nm(x,z)、前一溫度數字量nm-1(x,z)與及最大溫度數字量nmax(x,z)的初始值全部設為0；

(2)紅外溫度傳感器獲取溫度數據，並以電壓格式輸出；

(3)a/d轉換模塊將溫度電壓標量轉為溫度的數字量，根據數學模型：n(x,z)＝α(z)t(x)

獲得當前溫度數字量nm(x,z)；

(4)單片機處理當前溫度數字量nm(x,z)、前一溫度數字量nm-1(x,z)與及最大溫度數字量nmax(x,z)之間的關係；

(5)單片機根據溫度數字量度的處理結果，輸出相應脈衝，輸出系統根據接收到的脈衝執行相應的動作：正轉、反轉或者停止轉動。

本發明的主要參數如下：

(1)能將火場溫度分為0～255共256個等級，等級越高表示溫度越高，等級越低表示溫度越低。

(2)水炮旋轉角度0～360度。